空调节能与监管一体化平台设计与实现

李智峰 毕文洋 谷瑞军

关键词： 空调控制；Wi-Fi；嵌入式；STM32；阿里云；云平台

1 概述

随着现代生态文明建设的步伐越来越快，节能减排低碳发展要求也越来越严格，降低能源消耗成本是节能改造的发展趋势。同时，科技进步，物联网、大数据的发展应用，也加快了节能技术的更新换代，节能改造的步伐越来越快。拥有众多大型公共建筑的高校节能改造，势在必行。

智能插座，是在物联网概念下与智能家居的概念一起发展的产品。智能家居是物联网主要平台之一，主要以家庭住宅为主，使用先进的技术对电子设备进行控制及管理，从而达到更高效率、更加节能、更加便利、更加环保。

因此本文设计开发了基于物联网的空调节能与监管一体化平台，在空调等高耗能设备节能改造中应用。通过改造插座、加装物联网控制模块，实现空调节能改造及远程监控，进而建立能效监管系统数据中心及运维平台，实现设备的可视化监控管理。

2 系统架构设计

系统总体设计如图1所示。系统由控制单元、阿里云物联网平台、客户端三部分组成。

系统采用STM32 单片机作为硬件核心，通过SUI-101A电流计统计实时功率，通过MQTT协议发送给阿里云平台。硬件平台使用C语言进行编程，手机端采用HTML5开发可以适配所有适配H5的移动设备，使用阿里云Iot—Studio开发应用。各个模块协同工作，可以实现远程对多个控制单元进行检测和控制，以实现节能的目的。

3 监测和控制单元设计

监测与控制单元（如图2）以STM32F103C8T6单片机（如图3）[1]为控制核心和ESP01Wi-Fi模块（如图4）[2]作为通信核心，通过串口接收电流计数据记录实时功率上传，以及下发对红外模块的控制指令。

通信模块主要是ESP01Wi-Fi通信模块连接Wi- Fi之后接收单片机“AT”指令，使用MQTT协议[3]与阿里云平台进行通信，实现上传实时功率和下载云平台控制指令。

采集控制模块包括SU-101A电量传感器（如图5） 和IR05红外发射模块（如图6），完成对当前节点的实时功率采集和发送红外指令对空调进行控制。

4 云平台结构

云平台采用阿里云平台，阿里云以飞天云操作系统为核心，建立了自研芯片、服务器、计算、存储、网络等软硬一体的新型计算体系架构，“飞天”是中国唯一自研云操作系统，能将全球的数百万服務器连接成一台超级计算机，单集群规模突破10 万台。阿里云物联网平台提供安全可靠的设备连接通信能力，支持设备数据采集上云，规则引擎流转数据和云端数据下发设备端。此外，还提供方便快捷的设备管理能力，支持物模型定义，数据结构化存储，和远程调试、监控、运维。

阿里云物联网平台是一个集成了设备管理、数据安全通信和消息订阅等能力的一体化平台。向下支持连接海量设备，采集设备数据上云；向上提供云端API，服务端可通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。通信结构如图7。

要使感知网络层与阿里云物联网平台通信需要经过以下

五个步骤[5]：

（1）创建产品与设备：根据实际的应用需求，创建产品和设备，获取设备证书信息即三元组：Product? Key、DeviceName 和DeviceSecret，作为设备连接物联网平台的身份认证。

（2）为产品定义物模型：将感知网络层设备抽象成由属性、服务、事件所组成的数据模型后，就能在物联网平台上进行管理和数据交互。

（3）建立设备与平台的连接：感知网络层设备根据设备证书信息通过MQTT 协议连接物联网平台，在物联网平台控制台就可以看到设备状态显示为在线。

（4）定义物模型通信Topic ：设置属性上报、属性设置和事件上报Topic。

（5）设备端通过接口定时发布属性状态的Topic，并获取属性设置Topic，从而实现设备数据的上报和操作命令的下发。完成感知网络层和阿里云物联网平台通信后，还需要进一步实现阿里云物联网平台和Web 服务器通信，把物联网平台数据存储到MySQL 数据库。因此需要在物联网平台上配置服务端订阅，主要有以下三个步骤：创建消费组，创建订阅，服务端集成并运行AMQP 客户端。阿里云物联网平台采用AMQP 服务端订阅实现将设备消息流转到Web 服务器上，然后将设备消息存储到数据库中。

5 客户端设计

5.1 移动客户端

移动端使用HTML5设计，调用阿里云物联网API 可以实现对远程设备的管理、属性读取、监控运维、远程操作，实现了对实时功率的显示、挡位选择的功能，UI如图8所示。

5.2 PC 客户端

PC客户端使用Iot—Studio开发Web应用实现对多个节点进行统计和控制。UI如图9。

6 云平台上传测试

MQTT.fx是一款基于Eclipse Paho使用Java语言编写的MQTT客户端，支持Windows、Mac和Linux操作系统，可用于验证设备是否可与物联网平台正常连接，并通过Topic 订阅和发布消息。我们这边使用MQTT.fx对云平台通信进行测试。将阿里云提供的clientId、username、passwd、mqttHostUrl、port 填入MQTT.FX的连接设置参数里，点击connect和阿里云平台进行MQTT连接（如图11），现实绿灯与服务器连接成功。然后对“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/thing/ service/property/set”topic进行订阅，当云平台发送set 对RT（红外遥控信号挡位）时，mqtt.fx会收到对应的json 包（如图 12），对“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/ thing/event/property/post”topic进行发布json（如图13），云平台会收到并解析（如图14）。由此测试可以得到云平台物模型正确并可以通信。

该一体化平台经过多次不同教学楼不同种类空调的多次测试，以及不断的修改完善，已经能够取得良好的实际效果。用户操作软件，能实现空调遥控功能，准确获取数据。图15为在移动客户遥控控制立式空调温度调为16摄氏度制冷结果。

根据多次测试，此一体化平台要运行稳定，且满足节能的日常使用要求。

7 结束语

本文介绍了基于物联网的空调节能与监管一体化平台。该平台将传感器技术、嵌入式技术、物联网技术等相结合，有效地实现了空调的节能，具有很高的实用性。